超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的磨削温度研究

摘要

碳纤维复合材料是一种性能优良的新型材料，广泛应用于航空航天、交通运输和机械制造等工业领域；但其各向异性突出、硬度高、强度大，传统的加工方法难以高效率地生产符合使用要求的各种零部件。超声振动辅助磨削可以高质、高精、高效地加工碳纤维复合材料，成功地解决了这一难题。然而由于碳纤维复合材料导热性能差，磨削过程产热多且多为干式加工，加工过程中产生的热量极易积聚在加工区域而对加工后工件的性能和表面质量造成严重的影响。因此，研究超声振动辅助磨削碳纤维复合材料过程中工件温度场的分布规律并探索降低磨削温度的方法是一项十分有意义的工作。本文为解决上述问题，利用光纤光栅传感器作为磨削温度的监测工具，设计了覆盖工件磨削区域的嵌入式多梯度环形测温方案，对磨削温度场进行了实时监测；然后针对影响磨削温度的各种加工参数（磨削参数、材料特性参数、刀具参数和超声振幅）进行有限元仿真和超声振动辅助磨削实验；最后对比分析仿真与实验结果，反馈优化各种加工参数，以期得到降低磨削温度的加工参数设置方案。本文的主要研究内容如下： （1）根据碳纤维复合材料的结构特性及超声振动辅助磨削的加工特点，研究超声振动辅助磨削碳纤维复合材料过程中磨削温度的传播机理，建立适合本文工况的磨削温度传播模型，分析磨削加工过程中影响磨削温度的相关参数。 （2）基于超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的磨削温度传播模型建立磨削加工模型进行有限元仿真，验证磨削温度传播模型的正确性，研究各种加工参数对磨削温度的影响规律。 （3）搭建超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的实验平台，设计基于光纤光栅传感器的嵌入式多梯度环形测温方案并进行磨削加工测温实验。首先研究光纤光栅传感器的监测机理并解决其交叉敏感问题，提高测温系统的精确度；其次设置影响磨削温度的单因素实验，研究各种加工参数（磨削参数、材料特性参数、刀具参数和超声振幅）对磨削温度的影响规律；最后以降低加工过程中的磨削温度、提高加工后工件的表面质量为目标，对比分析仿真与实验数据，优化加工参数，得到较为理想的加工参数设置方案。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1超声振动辅助磨削技术的研究现状

1.2.2碳纤维复合材料的研究现状

1.2.3磨削温度的研究现状

1.2.4测温装置的研究现状

1.3本文的研究内容及结构框架

1.3.1本文的研究内容

1.3.2本文的结构框架

第2章 磨削温度的传播与监测机理

2.1磨削温度的传播机理

2.1.1导热微分方程

2.1.2移动热源模型

2.1.3热量分配模型

2.1.4磨削温度的传播模型

2.1.5磨削温度的影响因素

2.2 磨削温度的监测机理

2.2.1 FBG传感器的工作原理

2.2.2 FBG传感器交叉敏感问题的产生原理

2.3本章小结

第3章 超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的磨削温度仿真分析

3.1有限元仿真简介

3.2.仿真参数与磨削模型

3.2.1 碳纤维复合材料仿真参数

3.2.2加工仿真参数

3.2.3超声振动辅助磨削模型

3.3磨削温度的仿真分析

3.3.1磨削参数对磨削温度的影响

3.3.2材料特性参数对磨削温度的影响

3.3.3刀具参数对磨削温度的影响

3.3.4超声振幅对磨削温度的影响

3.4本章小结

第4章 超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的磨削温度监测系统设计

4.1超声振动辅助磨削实验平台

4.1.1超声加工装置

4.1.2磨削力测量装置

4.1.3磨削温度监测装置

4.1.4 FBG传感器标定装置

4.2 FBG传感器的布置方法

4.2.1工件预制孔法

4.2.2碳纤维复合材料层合预埋法

4.3本章小结

第5章 超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的磨削温度实验研究

5.1 FBG传感器交叉敏感问题的实验研究

5.2磨削温度的实验研究

5.2.1磨削过程中工件磨削区域的温度变化分析

5.2.2磨削参数对工件表面温度的影响

5.2.3材料特性参数对工件表面温度的影响

5.2.4刀具参数对工件表面温度的影响

5.2.5超声振幅对工件表面温度的影响

5.3 磨削温度仿真与实验的对比分析

5.4 磨削加工表面质量的对比分析

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间所取得的科研成果